Со технолошкиот напредок и скалирањето на индустријата, цената на производството на фотоволтаична (PV) енергија продолжува да се намалува, позиционирајќи ја како клучен извор на енергија за одржлив развој во иднина.
Клучни компоненти на фотоволтаичната технологија
Основната компонента на технологијата за производство на енергија од фотоволтаични панели е сончевата фотоволтаична ќелија. Еволуцијата на сончевите фотоволтаични ќелии може да се категоризира во три генерации. Првата генерација се состои од соларни ќелии базирани на силициум; втората генерација вклучува тенкофилмски сончеви ќелии; а третата генерација опфаќа нови технологии како што се фотоволтаични ќелии со висока концентрација (HCPV), органски сончеви ќелии, флексибилни сончеви ќелии и сончеви ќелии сензибилизирани со боја. Во моментов, сончевите ќелии базирани на силициум доминираат на пазарот, додека тенкофилмските ќелии постепено добиваат пазарен удел. Повеќето ќелии од трета генерација, освен HCPV, сè уште се во фаза на истражување.
Соларни ќелии на база на силициум
Меѓу сончевите ќелии базирани на силициум, технологијата на монокристален силициум е најзрела. Ефикасноста и цената на овие ќелии првенствено се под влијание на процесот на производство, кој вклучува чекори како што се леење на инготи, сечење на плочки, дифузија, текстурирање, ситопечат и синтерување. Сончевите ќелии произведени преку овој конвенционален процес обично постигнуваат ефикасност на фотоелектрична конверзија од 16-18%.
Монокристалните силициумски сончеви ќелии имаат највисока ефикасност на конверзија, но се и најскапи. Поликристалните силициумски сончеви ќелии нудат добро намалување на трошоците со директно производство на големи квадратни силициумски инготи погодни за масовно производство. Овој процес е поедноставен, заштедува енергија, го зачувува силициумскиот материјал и бара понизок квалитет на материјалот.
Намалувањето на трошоците за сончеви ќелии може да се постигне преку две главни стратегии: намалување на потрошувачката на материјал (на пр., намалување на дебелината на силиконските плочки) и зголемување на ефикасноста на конверзија. Методите за подобрување на ефикасноста вклучуваат зголемување на апсорпцијата на светлина (на пр., текстурирање на површината, антирефлективно обложување, намалување на ширината на предната електрода), намалување на рекомбинацијата на фотогенерираните носители (на пр., пасивација на емитер) и минимизирање на отпорот (на пр., локализирано допирање, технологија на задно површинско поле).
Највисоката регистрирана ефикасност на конверзија за монокристални силициумски сончеви ќелии е 24,7%, постигната со PERL структурата на сончевата ќелија од Универзитетот во Нов Јужен Велс. Клучните технолошки карактеристики вклучуваат ниска концентрација на фосфорно допирање на површината на силициумот за да се намали површинската рекомбинација, висока концентрација на дифузија под предните и задните површински електроди за да се формираат добри омски контакти и употреба на фотолитографија за стеснување на предните површински електроди, со што се зголемува површината на апсорпција на светлина. Сепак, оваа технологија сè уште не е индустријализирана.
Други техники за подобрување на ефикасноста вклучуваат површински жлебовити текстурирани ќелии на BP Solar и технологија со заден контакт (EWT). Првата постигнува ефикасност од 18,3% преку ласерско жлебување, што ја намалува ширината на предните електроди и ја зголемува апсорпцијата на светлина. Втората постигнува ефикасност од 21,3% со доведување на предните електроди назад, зголемувајќи ја површината за апсорпција на светлина.
Тенкофилмни сончеви ќелии
Иако кристалните силициумски сончеви ќелии доминираат поради нивната висока ефикасност, значителното намалување на нивната цена е предизвик поради високата цена на силициумскиот материјал. Тенкослојните сончеви ќелии, кои користат помалку материјал, се појавија како исплатлива алтернатива. Главните типови на тенкослојни ќелии вклучуваат тенкослојни ќелии базирани на силициум, кадмиум телуридни (CdTe) ќелии и бакарни индиум галиум селенидни (CIGS) ќелии.
Тенкослојните ќелии на база на силициум се дебели само 2 микрометри, користејќи околу 1,5% од силиконскиот материјал потребен за кристалните силициумски ќелии. Во зависност од бројот на PN споеви, овие ќелии можат да бидат со еден спој, двоен спој или повеќе споеви, секоја способна да апсорбира различни бранови должини на сончева светлина. Највисоката ефикасност за ќелиите со еден спој е околу 7%, додека ќелиите со двоен спој можат да достигнат 10%.
Тенкослојните CdTe ќелии нудат поголема ефикасност (до 12%) поради нивните добри својства за апсорпција на светлина. Сепак, канцерогената природа на кадмиумот и ограничените природни резерви на телуриум претставуваат долгорочни предизвици за развој.
Тенкослојните ќелии CIGS се сметаат за иднината на високоефикасната технологија на тенкослојни ќелии. Со прилагодување на процесот на производство, нивната апсорпција на светлина може да се подобри, што доведува до поголема ефикасност на конверзија. Во моментов, лабораториските ефикасности достигнуваат 20,1%, додека комерцијалните производи постигнуваат 13-14%, што ги прави најефикасни меѓу тенкослојните ќелии.
Клетки од трета генерација
Теоретски, ќелиите од третата генерација можат да постигнат висока ефикасност на конверзија. Освен HCPV, повеќето се сè уште во фаза на истражување. HCPV ќелиите обично користат III-V полупроводнички материјали, кои имаат поголема отпорност на топлина и одржуваат висока ефикасност на конверзија под силно осветлување. Структурите со повеќе споеви им овозможуваат на овие ќелии тесно да се совпаднат со сончевиот спектар, со теоретска ефикасност до 68%. Комерцијалното производство може да постигне ефикасност над 40%.
Сончевите ќелии се капсулирани во модули, а нивната примена зависи од нивните карактеристики и пазарните барања. Раните примени вклучуваа комуникациски базни станици и сателити, а подоцна се проширија и на станбени области како што се сончевите покриви. Во овие сценарија, ограничените површини за инсталација и потребите од висока густина на енергија ги фаворизираа кристалните силициумски модули. Со развојот на големи сончеви електрани и фотоволтаични системи интегрирани во згради (BIPV), трошоците доведоа до зголемена примена на тенкослојни ќелии. Еколошките и климатските услови, исто така, влијаат на усвојувањето на различни технологии.
Примени на сончевата фотоволтаична технологија
Претворањето на сончевото зрачење во употреблива електрична енергија бара комплетен соларен фотоволтаичен систем. Сончевите фотоволтаични ќелии ја формираат основата на овој систем, кој исто така вклучува инвертори, батерии, системи за следење и дистрибутивни системи.
Класификација и состав на фотоволтаични системи
Сончевите фотоволтаични системи се класифицираат како исклучени од мрежата или поврзани со мрежата. Системите надвор од мрежата можат да бидат самостојни или хибридни.
Самостојните системи обично се користат во оддалечени области, базни станици за комуникација и соларни улични светилки, потпирајќи се целосно на сончева енергија. Тие вклучуваат соларни модули, инвертори, контролери, батерии, дистрибутивни системи и заштита од гром. Батериите и контролерите значително влијаат врз цената и животниот век на системот. Хибридните системи ја комбинираат сончевата енергија со други извори како дизел генератори или ветерни турбини.
Системите поврзани со мрежа, кои најчесто се користат за соларни покриви и големи фотоволтаични електрани, не бараат опрема за складирање, со што се намалуваат трошоците. Овие системи вклучуваат соларни модули, инвертори, дистрибутивни системи, заштита од гром и системи за следење. Во моментов, системите поврзани со мрежа сочинуваат 80% од сите соларни апликации.
Други технологии за производство на енергија од фотоволтаични панели
Освен технологијата на соларните фотоволтаични ќелии, технологијата на инвертори, интеграцијата во мрежата, складирањето и интелигентното следење се клучни за системите за производство на енергија од фотоволтаични ќелии:
Излезната моќност на сончевите ќелии варира со интензитетот на сончевото зрачење, што предизвикува прекини. Интеграцијата на мрежата во голем обем може да влијае на неа, што ја прави контролата на мрежата и заштитата од островизирање неопходна.
Излезот на соларниот модул е еднонасочна струја (DC), што бара висококвалитетна конверзија во наизменична струја (AC) преку инвертори.
Излезната моќност на модулот може да биде под влијание на фактори како што се температурата и засенчувањето, што бара систем за следење на системот и алармни системи.
Технологијата за далечинско управување е од витално значење за фотоволтаичните електрани во оддалечените области.
Кина е лидер во производството на соларни модули во однос на квалитетот и обемот. Високопрофитните области во рамките на индустрискиот синџир вклучуваат прочистување на силициум, инвертори, системи за следење и производство на фотоволтаична опрема. Постигнувањето пробиви во овие клучни области е предизвик за кинеската фотоволтаична индустрија.
Тековна состојба и идни перспективи за производство на сончева фотоволтаична енергија
Поради високите трошоци, производството на сончева фотоволтаична енергија не доживеа голем развој сè до крајот на минатиот век. На влезот во 21 век, со подобрена ефикасност и брзо намалување на трошоците, производството на сончева фотоволтаична енергија доживеа брз раст, со инсталиран капацитет што се зголемува годишно. Глобалниот годишен инсталиран капацитет се зголеми од 1,4 GW во 2000 година на 22,8 GW во 2009 година. Европските земји како Германија, Италија и Шпанија се главни пазари, а ЕУ планира да го зголеми уделот на сончевата енергија на 12% од вкупното снабдување со електрична енергија до 2020 година. Земјите во развој како Кина и Индија, исто така, започнаа планови за развој на сончевата енергија. Освен базните станици за комуникација, сончевите покриви и фотоволтаичните електрани, производството на сончева фотоволтаична енергија сега е широко користено во разни мобилни уреди.
Како дополнителен и алтернативен извор на енергија, технологијата за соларно фотоволтаично производство брзо се развива, со намалување на трошоците за производство. Со континуираниот технолошки напредок, сончевата енергија, како чист и обновлив ресурс, е подготвена да стане клучен извор на енергија за одржлив развој.
